浅谈磷酸镁水泥修补材料的优势及存在问题

2024年4月4日发(作者：)

第20卷 第2期 中 国 水 运

Vol.20

No.2

2020年 2月

China Water Transport

February

2020

浅谈磷酸镁水泥修补材料的优势及存在问题

周之龙，徐 清，徐守桐，崔征宇

（昆明理工大学，建筑工程学院，云南 昆明 650500）

摘 要：磷酸镁水泥（MPC）是一种无机胶凝材料，因为其水化速度快，早期强度高，新旧混凝土粘结性良好，干缩小等优点，被广泛应用于快速修补等问题。本文综述了磷酸镁水泥的水化机理及水化产物，讨论了快速修补的优势性能，同时总结了在道路修补中存在的不足，展望了磷酸镁水泥未来的应用方向。

关键词：磷酸镁水泥；水化机理；快速修补

中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）02-0227-03

一、引言

目前，基于修复填补的材料种类繁多，针对特定的混凝土结构维护工程可以选择特定的修补材料。国内外学者将修补材料总结为无机和有机两大类，在有机材料基础上还通过聚合物改性使产生更佳的修补效果，但往往需付出因影响水泥水化而降低修补砂浆早期强度的代价。普通有机修补材料的代表是环氧树脂类材料，纵然其初始粘结性能良好，但其热膨胀系数与待修补结构差异明显，易于原结构分离，不能良好的共同服役，且老化所致的二次修补费工耗时；无机修补材料大部分为熟知的传统水泥基材，养护条件苛刻，界面粘结薄弱等缺点一直以来限制其用于快速修补。

磷酸镁水泥有独特的胶凝体系，制备过程可等效为酸碱中和反应，适当比例的氧化镁，磷酸盐，外加剂及掺和料是形成胶凝体发挥修复作用的关键材料。

磷酸镁水泥因为其反应机理所致，具有一些特殊的性能：（1）凝结速度快，早期强度高。磷酸镁水泥通常在2-20min快速凝结，小时强度达到20MPa以上，3h可达到40MPa以上[1-2]。（2）磷酸镁水泥与旧混凝土粘结性能好。用磷酸镁水泥修补旧混凝土，不仅在粘结面处有机械啮合力、范德华力，而且还能与旧混凝土中的水化产物甚至残余固体水泥颗粒反应，化学粘结作用显著提高[3]。（3）良好的施工性能，具有满足施工要求的工作性。（4）体积稳定性良好。磷酸镁水泥砂浆具有微膨胀性。因其良好的工作性能，磷酸镁水泥砂浆大量应用于民用工程维护修复，军事领域也有所涉及。

本文通过对磷酸镁水泥的水化机理及水化产物进行分析，从而提出磷酸镁水泥砂浆完成快速修复功能的优点以及仍未解决的问题。

二、水化机理及水化产物

1．磷酸镁水泥水化机理

国内外对于水化凝结硬化的过程还处于讨论阶段，但多数人认为溶液-扩散机理可以更好的解释水化过程。溶液扩散机理过程大致分为几个阶段[4]，当MPC与水混合时，磷酸盐收稿日期：2019-09-15

作者简介：周之龙（1999-），男，昆明理工大学建筑工程学院，本科大三。

徐 清（1965-），女，昆明理工大学建筑工程学院，副教授。

先溶于水。随之KH2PO4或NH4H2PO4释放出K或NH4，3，PO4以及影响溶液酸性增强的H，随着反应的进H2PO4行逐渐形成了酸性磷酸盐溶液。此时MgO颗粒初步溶解产生许多Mg2储存在溶液中，刺激了上述电离反应加剧。当Mg2在溶液中累积量越多，意味着消耗H的量增多，溶液也随2便与溶液中的电之碱性增强，Mg2的存在形式Mg(H2O)6离出的其他离子水化反应，迅速胶结形成水化产物，析出晶体硬化从而得到了磷酸镁水泥石[5]。

另一种解释为局部化学反应机理，相较于上述机理存在不足，没有被广泛接受。

2．磷酸镁水泥的水化产物

MPC水化反应可以分为磷酸铵基 MPC的水化和磷酸钾基MPC的水化。

磷酸铵基 MPC的水化对水化产物一系列表征分析，初步确定该产物为MgKPO46H2O（钾鸟粪石 ，MKP），且初步得出磷酸钾基MPC的水化方程式 ：

MgOKH2PO45H2OMgKPO46H2O

冯春花等[6]发现磷酸铵基 MPC的水化中水化速度过快会影响钾鸟粪石水化产物的生成，同时产出不利于MPC的杂质水化产物，即为MgKPO4H2O，但MgKPO4H2O的生成将对MPC硬化体的物理和力学性能造成不利影响，要控制水化速度使水化反应充分。

磷酸铵基MPC的主要水化产物主要为：MgNH4PO46H2O（水化磷酸镁铵，矿物名鸟粪石），MgNH4PO4H2O和[7]Mg3(PO4)24H4O，其反应式如下：

MgONH4H2PO45H2OMgNH4PO46H2O

MgONH4H2PO4MgNH4PO4H2O

3MgO2NH4H2PO4H2OMg3(PO4)24H4O2NH3

Abderazing 等[8]认为磷酸镁水泥水化时先生成MgNH4PO44H2O，由于碱性条件再转换为MgNH4PO46H2O，水化速率过快致水化不充分，有水化温度过高也生成杂质产物。YouMgNHPOHO产生，442

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等[9]的研究指出MgNH4PO4H2O的出现将极大减弱MPC硬化体的强度。

三、磷酸镁水泥修补材料优势性能

1．快硬早强

修补材料的作用就是能够在短时间内将破坏的东西修补好并保证其力学性能满足使用要求。磷酸镁水泥因其快硬早强性能被广泛及作修补材料。

温金保[10]通过试验对比可知，磷酸镁水泥砂浆凝结速度快。凝结时间短于普通水泥。图1可知凝结时间与水胶比成正比。因此可以通过调整水胶比的大小，改变磷酸镁水泥砂浆凝结时间，既能防止其凝结过快导致材料失效，又可以起到快速修复的功能。肖卫[11]从水胶比、M/P比分析了对磷酸镁水泥凝结时间的影响。水胶比在0.14~0.2时凝结时间为最佳。高流动性和快硬性是磷酸镁水泥修补砂浆优势关键。

图1 水胶比与凝结时间的关系

图2反应了普通砂浆和磷酸镁水泥砂浆抗压强度随龄期增长的变化规律[12]。由图2可知普通砂浆和磷酸镁水泥砂浆的28d抗压强度几乎相等。磷酸镁水泥砂浆28d抗压强度略低于普通硅酸盐水泥28d抗压强度，但磷酸镁水泥砂浆早期强度远高于普通水泥早期强度，几小时内就已达到40MPa。磷酸镁水泥砂浆早强性突出。

图2 磷酸镁水泥砂浆和普通硅酸盐水泥砂浆在

不同龄期下的抗压强度

不同磷酸盐对配制MPC的强度影响不同，高瑞等[13]比较了用四种磷酸盐配制的MPC 强度。同一龄期下，KH2PO4，NH4H2PO4配制的MPC抗压抗折强度符合修补材料要求，（NH4）2HPO4次之，K2HPO4基本不能用于磷酸镁水泥制备。因此常见的磷酸镁水泥砂浆为磷酸铵基

MPC和磷酸钾基MPC。

2．界面粘结性能

用于修补的新材料与旧混凝土结构保持良好的界面粘结性能，新旧材料才能形成一个整体共同服役，以防外力作用下修补体脱落。

温金保等[10]发现任一龄期下磷酸镁水泥砂浆的粘结强度均高于普通硅酸盐水泥，且磷酸镁水泥砂浆早期3h黏结强度远超于普通硅酸盐水泥砂浆。可见磷酸镁水泥修补材料快速粘结性能良好，适用于工程抢修。两种不同类型的砂浆其黏结强度随龄期增长的变化规律如图3所示。

图3 砂浆在不同龄期下的黏结强度

范英儒等[14]提出不同磷酸盐对粘结强度影响不同。KDP-MPC（磷酸二氢钾）相比于ADP-MPC（磷酸二氢铵水泥）没有NH3产生，因而内部密实度高，致密孔隙少，粘结性能由此提升，即使同龄期KDP-MPC抗压强度略低，但两者斜剪粘结强度大致相等。KDP+ADP-MPC（磷酸二氢钾和磷酸二氢铵混合水泥）将界面孔隙减少到最小，斜剪粘结强度和抗折粘结强度均高于KDP-MPC和ADP-MPC[14]。

因此两种磷酸盐混合的水泥可以有效的改变约束条件下KDP-MPC早期收缩快，粘结性不好的缺点。

3．耐久性

（1）抗冻性和抗盐冻剥蚀性能

磷酸镁修补材料应用范围广，面临服役环境多样。保证其抗冻性和抗盐剥蚀性能良好，该修补材料方可应用于水体工程及北方寒冷地区建筑物的维护修复。

Yang等[15]采用单面浸泡法试验。实验中一次冻融循环的具体步骤为：在（-22~-18℃）的温度下将试块冻结3h后，再在（20±5）℃的3%的氯化钠溶液融化相同时间。磷酸镁水泥基材料表面平整。非引起普通硅酸盐水泥剥蚀严重。总结出磷酸镁水泥抗冻性和抗剥蚀性能良好。

针对磷酸镁水泥基材料抗冻性和抗盐剥蚀性良好的原因，综合后大致总结为：1）高含气量类似于引气。2）水灰比低，内部水量少。3）封闭空洞提供有效缓冲[16]。

（2）耐磨性

姜洪义等[17]通过试验比较得出了磷酸镁水泥及其混凝土耐磨度几乎是普通硅酸盐水泥混凝土的2倍，由此可见磷酸镁水泥砂浆的耐磨性能良好。导致该特性的物质是未反应的MgO颗粒。Ding[18]认为自身耐磨性高的MgO颗粒与水化产物共同作用，耐磨性能更加优异。

四、存在问题

但是到目前为止磷酸镁水泥道路修补还有几个问题有待于优化，例如：

（1）磷酸镁水泥耐酸性较差。高浓度的碱性溶液对磷酸镁水泥的腐蚀较为明显，其原因都是水化产物MKP与酸碱溶液反应。在酸性碱性环境中磷酸镁水泥使用受限[19]。（2）耐水性不好，但现在可通过改善缓凝剂等方法调整。（3）与原材料共同服役时依然对原材料有影响。（4）具体应用需结合其优势性能以及施工工艺考虑，应多方案并用解决不同时期的工程问题[20]。（5）希望能够通过道路的实际情况，提

第2期 周之龙等：浅谈磷酸镁水泥修补材料的优势及存在问题 229

出在不同时期磷酸镁具体用量，并结合其自身优势发挥更大的作用。（6）大尺寸工程中水化放热多且不均匀导致温度应力，耐久性被削减[5]。

五、总结

磷酸镁水泥对比其他普通水泥，依然属于新型胶凝材料，在某些特性上仍领先其他水泥。正如上文提到的：（1）早期强度发展迅速且较高，凝结时间明显短于其他水泥，特别适合高速路，机场等强度要求高的短期抢修工程。（2）磷酸镁水泥基修补材料与旧混凝土之间的早期粘结强度就比较高，新旧材料才能短期内形成一个整体共同服役，以防外力作用下修补体脱落。（3）抗冻性良好，可用于北方工程，磷酸镁水泥基材料耐磨性明显高于普通硅酸盐混凝土。

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（上接第214页）

本工程航标灯验收，均满足设计要求。

7．航标灯维护

航标灯维护分为两个方面，主要通过监控系统对其工作状态进行监测，发现异常，及时处理。另一方面须定期安排拖轮出海巡查，主要检查部件间连接螺栓的松动情况，蓄电池电压等。监控系统监测数据如图6所示。

三、结语

（1）本工程采用拖轮成功地完成了航标灯安装施工，验证了拖轮安装航标灯的可行性，与目前普遍采用的专业航标灯安装船安装航标灯相比，优化了资源配置，节约了成本。

（2）从安装精度，夜间闪灯及GPS信号等验收情况表明，本工程航标灯安装满足设计要求。

（3）中东地区港口水工项目航标灯安装数量普遍较少，若采用专业的航标灯安装船施工，成本过高；本工程采用的拖轮安装航标灯工艺，不受安装数量制约，经济效益显著，作业灵活，具有广阔的推广前景。

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